Introduction to RF & Wireless Communications Systems

Denna artikel publicerades i Evaluation Engineering och har publicerats här med tillstånd.

Ladda ner artikeln i PDF-format.

I en värld av test, mätning och utvärdering är vektornätverksanalys (VNA) en av de viktigaste metoderna för mätning av RF- och mikrovågor. De senaste VNA-lösningarna erbjuder en mängd olika funktioner, från utmärkta RF-egenskaper till ett stort antal analysfunktioner, och de underlättar insamling och utvärdering av viktiga prestandaparametrar. Här är en översikt över några av de senaste lösningarna, av personer från de berörda företagen.

Avancerade arkitekturer

ShockLine ME7868A 2-port VNA från Anritsu är utformad med en avancerad arkitektur som gör det möjligt att fysiskt distribuera fas-synkroniserade VNA-portar utanför ett enda chassi. Detta gör att instrumenteringen kan placeras vid den enhet som testas (DUT) i stället för att vara bunden till en enda plats (fig. 1).

1. ShockLine ME7868A 2-port VNA gör det möjligt att fysiskt distribuera fas-synkroniserade VNA-portar utanför ett enda chassi.

Enligt Stan Oda, ShockLine VNA Product Manager, använder ME7868A företagets PhaseLync-teknik för att synkronisera två ShockLine MS46131A 1-port VNA:er. Detta gör det möjligt att mäta vektorinsatsförlust mellan de två VNA:erna. PhaseLync stöder synkronisering på över 100 meter mellan 1-ports VNAs, vilket förbättrar 2-ports S-parametermätningsprestanda över avstånd som är jämförbara med traditionella VNA-lösningar.

Steve Reyes, Sr. Product Manager, påpekade att VectorStar ME7838G bredbands-VNA-systemet ger on-wafer-enhetskaraktärisering från 70 kHz till 220 GHz i ett enda svep. Systemet använder Anritsus NLTL-moduler (Nonlinear Transmission Line), som erbjuder utmärkt prestanda med branschens bästa rådirektivitet, för att ge bästa kalibreringsprestanda och mätstabilitet i klassen (fig. 2).

2. VectorStar ME7838G bredbandigt VNA-system ger on-wafer-enhetskaraktärisering från 70 kHz till 220 GHz i ett enda svep.

Det gör det möjligt för användarna att överskrida de traditionella gränserna i ett enda svep utan att behöva rekonstruera waferprovningsstationen från ett 110 GHz till högre vågledarband. Anritsu har också nyligen introducerat alternativet Universal Fixture Extraction (UFX) för VectorStar som uppfyller behovet av högfrekventa fixturuttag i signalintegritetsmätningar.

Navneet Kataria, produktchef för VectorStar VNA, tillade att det VectorStar-baserade ME7848A opto-elektroniska VNA-systemet kan karakterisera opto-elektroniska enheter. Dessa ONA-system (Optical Network Analyzer) kombinerar en VectorStar VNA, E/O-omvandlare och en silverstandardiserad NIST-spårbar referensfotodetektor för att göra E/O-mätningar med NIST-spårbarhet upp till 70 GHz, på enheter som fotodetektorer och optiska modulatorer/sändare.

Enhetskaraktärisering

Krav på OTA-karaktärisering (Over-the-air) över längre avstånd för 5G och testning av stora fordon blir alltmer en utmaning för traditionella VNA:er, på grund av långa sammankopplingskablar. ShockLine ME7868A tar itu med detta krav genom att flytta VNA-porten till DUT, vilket eliminerar kablarna och förbättrar mätstabiliteten och det dynamiska området.

Mätningar på vågen måste sträcka sig in i de övre mmWave-frekvenserna för noggrann enhetskaraktärisering. När man utvecklar dessa system är det viktigt att karakterisera enheterna över ett mycket bredare frekvensområde, från nära DC till en bra bit bortom driftsfrekvensen. Till exempel bör förstärkare som är konstruerade för tillämpningar som 802.11ad svepas långt bortom 60 GHz in i mmWave-regionerna – helst bortom 180 GHz – för att inkludera testning av 3:e harmoniska.

För att uppfylla nästa generations krav på enheters bandbredd utvecklas teknik som kräver användning av extremt höga frekvenser. En sådan teknik är optoelektronik, som erbjuder enorm bandbredd, låg latenstid och är kommersiellt gångbar. Kravet på att testa dessa optoelektroniska enheter exakt är en stor utmaning idag. Anritsus ONA-lösning ger noggranna och exakta mätningar med NIST-spårbarhet av dessa optoelektroniska enheter.

VNAs fortsätter att användas i många olika tillämpningar från enhetskarakterisering till materialmätning. Behovet av att utföra noggranna mmWave-mätningar långt bortom 110 GHz är en viktig trend. Nästa generations 6G-cellulära nätverk förväntas gå bortom D-bandets radiofrekvenser på 170 GHz och gå in i 325 GHz-regionerna, för att fortsätta att utöka datahanteringsmöjligheterna.

Karakterisering av aktiva och passiva enheter

När det gäller att ta itu med specifika applikationsutrymmen berättade Stan Oda för oss att ShockLine VNA:er är väl lämpade för testning av tillverkningsenheter och passiva komponenter. Med 1-, 2- och 4-ports VNA:er i olika förpackningar som täcker frekvenser från 50 kHz till 92 GHz täcker ShockLine-familjen av VNA:er ett brett spektrum av tillämpningar. Navneet Kataria tillade att VectorStar VNA täcker alla viktiga målmarknader, nämligen karakterisering av aktiva och passiva enheter.

Karakterisering av ottoelektroniska enheter är ett annat målområde för Anritsus VectorStar-baserade ONA-system. Uppgraderingsmöjligheter, flexibilitet och NIST-spårbarhet i mätresultaten är några av de unika erbjudanden som hjälper våra kunder. Materialmätningsmöjligheter för olika materialtyper som täcker frekvenser upp till 1,1 THz är en annan tillämpning för VectorStar.

ShockLine VNAs använder Anritsus patenterade NLTL-teknik för att uppnå kostnads- och utrymmeseffektiva högfrekventa VNA-kapaciteter. I framtiden räknar vi med att fortsätta använda denna beprövade teknik för att öka testmöjligheterna i ShockLine-familjen. VectorStar använder också NLTL-samplerteknik för noggrann, högfrekvent VNA-analys upp till 70 GHz basband och 110, 125, 145 och 220 GHz bredband. Nästa steg i raden av bredbandsanalyser är möjligheten att utföra differentialmätningar upp till 220 GHz för optimal differentialanalys.

Anritsus ståndpunkt är att VNA:er kommer att fortsätta att spela en nyckelroll i 5G-, fordons- och allmän OTA-karakterisering av alla enheter, från små UE till stora fordon. I takt med att frekvenserna fortsätter att öka och konsolideras on-wafer kommer behovet av att utföra exakta kalibreringar in-situ samt förmågan att exakt avembedda testfixturer och on-wafer-överföringsvägar att fortsätta att öka.

Non-Invasive Stability Measurement

När vi kontaktade Charles Hymowitz, VP of Sales & Marketing på Picotest, tog han upp deras Non-Invasive Stability Measurement, som bygger på en egenutvecklad mjukvara som använder en matematisk algoritm skapad av Steve Sandler. Företaget har dock anpassat den till många VNA:er, utan kostnad, och försöker att få den införd i så många som möjligt. NISM gör det möjligt för användaren att få fram fasmarginalen från en mätning av utgångsimpedansen.

Många strömförsörjningskretsar är fasta och har inte sina styrslingor tillgängliga för Bode-plottar, och många regulatorer har flera interna slingor. I vissa fall har regulatorer blivit så små att det har blivit opraktiskt att bryta slingan. Bortsett från testning av stegbelastning, som egentligen inte ger någon fasmarginalsiffra, finns det inga andra sätt att få fram kontrollslingans stabilitet hos en sådan regulator än genom att använda NISM.

Till exempel ingår NISM i OMICRON Lab Bode 100 (fig. 3), som ett programvarutillägg till Keysight E5061B/E5071C, liksom Rohde ZNL/ZNLE och Copper Mountain CMT VNA:erna. Andra portar är på gång.

3. Enheter som OMICRON Lab Bode 100 innehåller Picotests teknik för icke-invasiv stabilitetsmätning.

Alla Picotests prober och signalinjektorer kan användas med vilken VNA som helst, vilket gör att mätobjekt kan anslutas till VNA:n för olika mätningar (fig. 4). De flesta av dessa injektorer (förutom Bode plot-relaterade objekt) är proprietära och finns inte tillgängliga från andra VNA-tillverkare. De olika linjeinjektorerna, t.ex. J2102B, erbjuder PDN-kabel och stöder PSRR- och 2-portsimpedansmätning. Den aktiva delaren J2161A är unik och kan förvandla ett oscilloskop till en VNA.

4. Alla Picotests prober och signalinjektorer kan användas med alla VNA.

Många nya oscilloskop kan användas som VNA. Picotests J2161A 2-vägs Wideband Active Splitter, tillsammans med deras J2102B Common Mode Transformer, kan användas för att förvandla många nyare oscilloskop till VNA:er med samma eller större bandbredd och känslighet som dedikerade VNA:er.

Utmaningar

Tvåportsimpedansmätning är för närvarande den gyllene standarden för lågimpedansmätning, med effektintegritet och PDN-impedans (power distribution network) som ett enormt problem i fråga om design och prestanda. Förutom simulering är mätning avgörande för att förstå, begränsa och konstruera bra PDN:s.

För att mäta låga och extremt låga impedanser har Picotest skapat ett antal tillbehör som är avgörande för noggrann mätning, bland annat J2102B/J2113A jordslinga-brytare (avgörande för att avlägsna det inneboende gruppslinga-felet i mätningen) och en ultratunn, flexibel PDN-kabel med låg sköldförlust (fig. 5).

5. Låg sköldförlust, ultratunn, flexibel PDN-kabel möjliggör noggranna mätningar.

Det är av avgörande betydelse vid mätning av milliohm och mikrohm PDN-impedans att källorna till mätfel kan kontrolleras, och det gör dessa produkter. Dessutom kommer Picotest att introducera en ersättare till sin nuvarande 2-portssond som kommer att vara en riktig 4-port handhållen BROWSER-sond som kan mäta milliohm effektplansimpedans. Anslutning till mätobjektet, särskilt på täta kretskort, är en utmanande aspekt av PDN-impedansmätning och Picotests nya P2102A 2-portssond kommer att underlätta detta hinder avsevärt.

Trender

Trenden för oscilloskop att införliva VNA-funktioner är betydande och kan komma att påverka försäljningen av traditionella VNA-instrument dramatiskt, särskilt som scope-leverantörerna införlivar fler och bättre gränssnitt. Ett av de viktigaste områdena för närvarande för VNA:er är mätningar av strömintegritet/PDN-impedans.

Specifikt blir tvåportsmätning av strömskenans impedans kritiskt viktig för nästan alla system. Detta inkluderar strömförsörjning för digitala höghastighets- eller RF-kretsar. Traditionellt användes prober för strömskenor för att mäta tidsdomänbrus, men detta är oacceptabelt, eftersom det inte binder de möjliga spänningsutslag som kan uppstå på strömskenan.

Impedans kan definiera tillståndet för strömskenan och eventuella prestandaproblem. Dessutom sträcker sig det intressanta frekvensbandet från låg frekvens (10s av Hz) till många GHz, vilket gör mätningen både utmanande och till VNA:s domän. Företaget planerar också att introducera en serie 1- och 2-portprober som kommer att hjälpa VNA-användare att ansluta till sina DUTs.

Kraftfulla och flexibla verktyg

Explosionen av molnbaserade system och RF-baserade infrastrukturer har satt ett enormt tryck på ingenjörer som arbetar med det trådlösa området. Vi kontaktade Rich Pieciak, produktchef för vektornätverksanalysatorer på Rohde & Schwarz USA, och frågade vad företaget har för lösningar på dessa problem. Han berättade att de senaste plattformarna för vektornätverksanalysatorer från Rohde & Schwarz är R&S ZNA-familjen och R&S ZNBT40-plattformen, som utökade sina multiportlösningar till 40 GHz, med upp till 24 portar (fig. 6).

6. R&S ZNBT40-plattformen har multiportlösningar till 40 GHz, med upp till 24 portar.

R&S ZNA-familjen av högpresterande vektornätverksanalysatorer med hög prestanda adresserar utvecklande tillämpningsområden med sin sofistikerade och flexibla hårdvaruarkitektur. R&S ZNA-familjens RF-egenskaper framhävs av känslighet, effektsvepningsområde och linjäritet, förstärkta av en ny hårdvaruarkitektur med fyra interna faskoherenta källor, två interna lokala oscillatorer och åtta mottagare för en hög nivå av mångsidighet i mätningarna.

Digitala höghastighetstillämpningar har också utökats i dessa två instrumentfamiljer, (likaså familjerna R&S ZNB och R&S ZND), med introduktionen av nya de-embedding-lösningar som ger kunderna möjlighet att lättare utvärdera och använda industriellt accepterade lösningar för att karaktärisera digitala konstruktionsstrukturer med hög hastighet som stödjer ständigt ökande frekvensområden.

Hålla sig före tillämpningen

Tekniska framsteg inom trådlösa och flyg- & försvarstillämpningar fortsätter att ta upp integrerade sammansättningar som innehåller ett högt antal portar, på grund av avancerade funktioner som strålformning, integrerade antennarkitekturer och allt högre digitala dataöverföringshastigheter. Alla dessa integrationsinsatser tvingar fram nya metoder för prestandavalidering.

Testinstrumentarkitekturen måste utvecklas för att ge den nödvändiga insikten om prestandan hos den enhet som testas. R&S ZNA-arkitekturen, till exempel, kan nu mäta närfältsegenskaperna hos en antenngrupp med en integrerad LO på grund av dess flera interna synteser och dubbla lokala oscillatorer, i kombination med dess dubbla digitala mottagararkitektur.

6G och annan forskning om tillämpningar i mmWave-området lägger ökad tonvikt på att utöka traditionella VNA-mätningar till frekvensområden på upp till 300 GHz och därutöver. Mångsidig VNA-arkitektur är av största vikt för korrekt karakterisering av komponenten eller motsvarande kanalmiljö.

Addressing Applications

Digitala konstruktioner med hög hastighet fortsätter att bli allt viktigare, särskilt när det gäller signalintegritet. Den ökande spridningen av olika standarder och motsvarande kretskortslayouter kräver nya sätt att testa och analysera signaler i både frekvens- och tidsdomäner. Rohde & Schwarz introducerade nyligen verktyg för att bättre utvärdera prestanda hos konstruktioner och isolera deras prestanda från externa källor som kontakter, kablar, prober osv.

Nya alternativ som behandlar avembeddingstekniker baserade på P370-standarden, Smart Fixture De-embedding från Packet Micro samt In Situ De-Embedding från AtaiTec stöds nu som alternativ i R&S ZNA-, R&S ZNB-, R&S ZNBT- och R&S ZND-familjerna för att ge kunderna möjlighet att utvärdera de lämpligaste teknikerna att använda för sina individuella applikationer.

Ett alternativ som behandlar Delta-L PCB-karakterisering är nu också tillgängligt. Frekvensomvandlingsmätningar är ett annat kärnmätningsområde som är extremt väl lämpat för R&S ZNA, på grund av dess arkitektur med flera synteser och mättekniker, t.ex. de som är inriktade på underenheter med inbyggda lokala oscillatorer.

DDS-synteserna i R&S ZNA utgör grunden för fyra faskoherenta och fasrepetitiva källor. Användaren kan definiera amplitud och fasskillnad mellan fyra signaler för tillämpningar som strålformning eller målsimulering. mmWave-tillämpningar och fortsatta framsteg inom integrerade sammansättningar kräver fortsatta framsteg inom teststrategin. Testplattformar måste utvecklas i enlighet med detta både när det gäller arkitektur och motsvarande mätvetenskap.

Ett föränderligt landskap

Nätverksanalysatorer karakteriserar elektroniska komponenter i nästan alla branscher. Medan deras mångsidighet har ökat har nätverksanalysatorernas centrala arkitektur varit i stort sett oförändrad under de senaste decennierna. Modern teknik med högre frekvenser och bredare bandbredder, som 5G, tänjer på gränserna för nuvarande nätverksanalysatorer och skapar nya utmaningar för ingenjörer när de mäter flerkanalsenheter.

Matt Campbell, produktmarknadsföringsingenjör på Keysight Technologies, påpekade att nätverksanalysatorers källor traditionellt sett inte behövde vara mycket exakta, eftersom diskontinuiteter bara kunde kvotas ut ur mätningarna. Källans prestanda kan dock ha en mer betydande inverkan på dagens komplexa bredbandiga och icke-linjära mätningar.

För att åtgärda detta har Keysight aktiverat sina PNA- och PNA-X-nätverksanalysatorer med samma signalkälla som sina avancerade signalgeneratorer. Eftersom de presenteras som de som har det lägsta fasbruset på marknaden kan ingenjörer snabbt utföra mätningar som EVM, omvandlarmätningar med fas och icke-linjära nätverksanalyser med förtroende för resultaten (fig. 7).

7. Keysights N5245B PNA-X mcrowave nätverksanalysator.

För att hjälpa till med 5G-tillverkningstesterna introducerade Keysight sin vektorkomponentanalysator, som presenteras som det första modulära multiportinstrumentet som kan utföra både nätverksanalyser och mätningar av modulerade signaler. Detta gör det möjligt för konstruktörer att utföra nätverksanalysatormätningar som S-parametrar och förstärkning samtidigt med EVM och ACP.

Matt påpekade att när kunderna letar efter nätverksanalysatorer är tillämpningar som pulsed-RF-mätningar, spektrumanalys och tidsdomänanalys ofta lika viktiga för dem som S-parametrar. Folk tänker på nätverksanalysatorer som allmänna RF-verktyg, inte bara S-parametermaskiner, och Keysights nätverksanalysatorer erbjuder funktioner som guidad kalibrering med en ECal-modul och guider som går igenom avancerade mätningar.

Keysights nätverksanalysatorer täcker alla tillämpningar, från R&D till tillverkning och fälttest med formfaktorer som är skräddarsydda för varje respektive tillämpning. Bekväma och kapabla USB VNAs, multiport VNAs med upp till 50 portar och den robusta handhållna FieldFox ger prestanda varhelst den behövs. Nästan alla branscher ser att frekvenserna ökar och att enheterna blir mer integrerade, så Keysight erbjuder frekvenstäckning in i millimeterfrekvenser samt flexibla mättillämpningar för varje formfaktor.

Anslutningar är viktiga

En länk av alla slag är bara så bra som dess anslutningar och kablar, och test är inget undantag. Enligt Steve Ellis, Product Line Manager på Pasternack, är deras senaste serie av mycket flexibla VNA-testkablar avsedda för ett brett spektrum av krävande laboratorie- och testtillämpningar (fig. 8). Funktionerna inkluderar en fasstabilitet på ±6° vid 50 GHz och ±8° vid 70 GHz med böjning, samt VSWR på 1,3:1 vid 50 GHz och 1,4:1 vid 70 GHz.

8. Pasternacks VNA-testkablar är avsedda för ett brett spektrum av krävande laboratorie- och testtillämpningar.

Dessa 50 GHz-aggregat är avslutade med 2,4-mm-kontakter, medan 70 GHz-aggregaten använder 1,85-mm-kontakter. Den flätade, rostfria stålarmeringen som omger koaxialkabeln ger en robust men flexibel kabel med en flexlivslängd som överstiger 100 000 cykler, och kablarna avslutas med robusta, rostfria kontaktdon som ger upp till 5 000 parningscykler när de fästs med rätt omsorg. Både 50- och 70 GHz-versionerna erbjuds med NMD-kontakter, med svepta rätvinkliga 2,4- och 1,85-mm-kontaktalternativ.